формирование тестовых ячеек для контроля арсенид

2013
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№75 Т.1
УДК 621.382.323
ФОРМИРОВАНИЕ ТЕСТОВЫХ ЯЧЕЕК
ДЛЯ КОНТРОЛЯ АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ МИКРОСТРУКТУР НА ПЛАСТИНЕ
Г.О.Тимофеев, М.В.Драгуть*, О.А.Лукьянцев*
FORMING OF TEST CELLS FOR PROBING
OF GALLIUM ARSENIDE MICROSTRUCTURES ON THE WAFER
G.О.Timofeev, М.V.Dragut’*, О.А.Luk’yantsev*
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected]
*ОАО «ОКБ-Планета», [email protected]
Рассмотрены процессы формирования тестовой ячейки для зондовых и оптических методов контроля арсенидгаллиевых микроструктур на пластине. Проведено технологическое опробование сформированного тестового модуля,
измерены основные параметры арсенид-галлиевых микроструктур в ходе технологического процесса изготовления монолитной
интегральной схемы (МИС) на GaAs.
Ключевые слова: тестовая ячейка, арсенид-галлиевые микроструктуры, монолитная интегральная схема,
зондовый контроль
The processes of forming a test cell to probe and optical inspection methods GaAs microstructures on the wafer. Conducted
sampling process generated test module, the main parameters measured GaAs microstructures during the process of manufacturing a
monolithic integrated circuit (IIC) on GaAs.
Keywords: test cell, gallium arsenide microstructure, monolithic integrated circuit, probe testing
В настоящее время произошло качественное
изменение в требованиях, предъявляемых к СВЧ
микроэлектронным приборам на основе арсенида
галлия [1]. Ужесточились требования к контролю
статических и СВЧ характеристик в процессе изготовления приборов на арсениде галлия, а производство высококачественных микроэлектронных изделий
требует наличия объективных критериев пригодности
исходного полуизолирующего GaAs [2]. Возникает
необходимость в разработке удобных экспресс методов контроля параметров микроэлектронных приборов в ходе технологического процесса изготовления
микроструктур на арсениде галлия.
Целью данной работы является разработка и
формирование тестовой ячейки для зондовых и оп-
тических методов контроля арсенид-галлиевых
микроструктур на пластине в ходе технологического процесса изготовления монолитной интегральной схемы (МИС) на GaAs. Работа проводилась на
предприятии ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород.
Тестовые ячейки представляют собой набор
микроструктур для зондовых и оптических методов
контроля непосредственно на пластине. Они формируются по всей площади пластины одновременно с
кристаллами МИС. Элементы тестовой ячейки должны соответствовать по параметрам аналогичным элементам МИС. Фотография с цифровой камеры микроскопа разработанной тестовой ячейки представлена
на рис.1.
39
2013
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№75 Т.1
Рис.1. Фотография разработанной тестовой ячейки
В состав тестовой ячейки входят следующие
элементы:
1, 1’ — структуры тестовых полевых транзисторов с барьером Шоттки (ПТШ) (рис.2) шириной
затвора 300 мкм (1) и 600 мкм (1’).
Они необходимы как для контроля основных
статических параметров ПТШ (в общем случае,
крутизны gm и тока стока насыщения Ids ), так и для
анализа частотной зависимости параметров рассеяния, по которым можно определить значения основных элементов эквивалентной схемы транзистора на GaAs. Топология тестовых транзисторов с
расстоянием между контактными площадками 150
мкм специально разрабатывалась под измерительные зондовые головки (Cascade Microtech — Infinity Probes) для проведения измерений в СВЧ диапазоне (рис.3).
Тестовые транзисторные структуры ПТШ
также используются в ходе оптических исследований с применением подсветки на длинах волн 1,06
и 1,3 мкм, соответствующими энергетическому
Рис.2. Структура тестовых ПТШ на GaAs
Рис.3. Особенности аппаратного контроля СВЧ параметров GaAs транзисторных структур ПТШ на пластине
40
2013
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
положению глубоких уровней в GaAs, благодаря
использованию двухволнового лазерного модуля
(метод полевого фототранзистора) для оценки качества полупроводниковой структуры арсенида
галлия, на которой формируются МИС [3]. Данная
методика позволила установить корреляционную
связь между коэффициентом шума и величиной
фотоответа.
2 — тестовая транзисторная структура ПТШ
с шириной затвора 100 мкм. Используется для
оценки величины эффекта управления тока стока Id
со стороны подложки благодаря дополнительно
сформированным контактным площадкам к n и n+
слоям.
3 — тестовые транзисторные структуры
ПТШ с шириной затвора также 100 мкм, которые
используются для контроля уровня тока Id при
формировании проводящего канала полевых транзисторов.
4 — тестовый диод Шоттки, представляющий
собой гребенчатую структуру площадью контакта
Шоттки 12600 мкм2 (рис.4). Используется для измерения C-V характеристик, по которым в дальнейшем
можно благодаря расчетам определить профиль легирования полупроводниковой структуры GaAs. На
расстоянии 150 мкм к тестовому диоду Шоттки дополнительно сформирована контактная площадка
(«земля») для анализа характеристик в СВЧ диапазоне, с помощью которого можно определить параметры элементов эквивалентной схемы диода Шоттки.
№75 Т.1
Рис.5. Структура для контроля слоевого сопротивления МИС
6 — структуры для контроля сопротивления
изоляции. Сформированы в виде кольцеобразных
резисторов, чтобы весь ток утечки ограничивался
формой структуры (рис.6). Межэлементная изоляция при изготовлении МИС осуществляется селективной бомбардировкой протонами Н+. Критерием
ее качества является значение сопротивления изоляции R из .
Рис.6. Структура для контроля сопротивления изоляции
7, 7’ — структуры, используемые для контроля
удельного поверхностного сопротивления сплава
AuGe/Au/Mo (7) и металлизации Al (7’).
8 — тестовые структуры для корректировки
номиналов резисторов, используемых в МИС. Они
изготовлены на основе легированных слоев исходной
эпитаксиальной структуры GaAs.
Пластины, на которых изготавливается МИС,
представляют собой многослойные эпитаксиальные
структуры арсенида галлия, состоящие из буферного,
активного и контактного слоев, выращенных методом
газофазной эпитаксии на полуизолирующей подложке арсенида галлия.
Контроль статических и СВЧ параметров арсенид-галлиевых микроструктур проводился при
помощи комплекса современного оборудования,
включающего зондовую станцию Cascade Microtech
Summit 12000, измеритель параметров полупроводниковых приборов Agilent B1500, анализатор цепей
Agilent N5230, а также специально изготовленный
двухволновый лазерный модуль для оценки качества полупроводниковых структур на GaAs (рис.7).
Рис.4. Структура тестового диода Шоттки на GaAs
5 — структуры для контроля слоевого сопротивления Rsh в ходе технологического процесса изготовления МИС. В данном случае под Rsh понимается
сопротивление легированных слоев многослойной
эпитаксиальной структуры GaAs. Структуры представляют собой квадратные полупроводниковые резисторы размером 70 × 70 мкм (рис.5), в результате
измерения сопротивлений которых рассчитывается
Rsh:
Rsh = R – 2Rк
где R — измеренное сопротивление квадратного
резистора, Ом; Rк — контактное сопротивление,
Ом.
41
2013
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№75 Т.1
Рис.7. Фотография комплекса измерительного оборудования
ры GaAs. Наименьшее значение параметра Rsh по пластине составило 84,1 Ом/G, наибольшее — 96,9 Ом/G.
Среднее значение — 88,4 Ом/G (при V = 1 В).
3. Контроль уровня тока Id при формировании
проводящего канала ПТШ. Используются тестовые
транзисторы 3.
4. Контроль статических и СВЧ параметров
на сформированной структуре ПТШ. Используются
тестовые микроструктуры 1, 1’, 2. Основные статические параметры одного из тестовых ПТШ (Wg = 300
мкм) представлены в таблице.
Разработанная тестовая ячейка была опробована для контроля всех необходимых статических и
СВЧ параметров на следующих этапах технологического процесса изготовления МИС:
1. Контроль качества омических контактов.
Технология формирования омических контактов к
GaAs хорошо отработана и воспроизводима на рабочих частотах схемы МИС 600-1200 МГц, поэтому в
данной работе значение удельного контактного сопротивления rк не контролируется и принимается
равным 7,5 · 10–7 Ом·см2.
2. Оценка качества межэлементной изоляции.
Контроль по микроструктуре 6. Отмечен разброс параметра R из по пластине. Предположительно, он наблюдается из-за неоднородности процесса ионного
легирования или благодаря влиянию параметров исходной эпитаксиальной структуры GaAs. Наименьшее значение параметра R из по пластине составило
9,1 МОм, наибольшее — 13,8 МОм. Среднее значение — 11,3 МОм (при V = 10 В).
Контроль слоевого сопротивления. Контроль по
микроструктуре 5. Отмечена неоднородность распределения параметра Rsh по пластине, что может быть также
связано с качеством исходной эпитаксиальной структу-
Основные статические параметры
одного из тестовых ПТШ
Параметр ПТШ
Значение параметра
Ток стока насыщения Ids
40 мА
(Vg = 0 B, Vd = 1 B)
Напряжение отсечки Vотс
–1 В
Крутизна gm (Vg = 0 B, Vd = 1 B)
60 мС
На рис.8 представлена типовая выходная характеристика исследуемых одного из тестовых транзисторов (Wg = 300 мкм).
Рис.8. Типовая выходная характеристика тестового ПТШ, снятая на Agilent B1500А
42
2013
ВЕСТНИК НОВГОРОДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№75 Т.1
Рис.9. Типовая C-V характеристика тестового диода Шоттки, снятая на B1500А
При исследовании СВЧ параметров тестовых
транзисторов (Wg = 300 мкм) проводились измерения
S-параметров. Интересующей нас характеристикой в
данных исследованиях является коэффициент усиления по мощности, определяемый параметром S21 на
частоте 1 ГГц. Наименьшее значение параметра S21 по
пластине составило 11,4 дБ, наибольшее — 14,9 дБ.
Среднее значение — 13,6 дБ.
5. Контроль удельного поверхностного сопротивления сплава AuGe/Au/Mo и металлизации Al.
Контроль по микроструктурам 7 и 7’ соответственно.
Измеренные
значения
соответствуют
RS
(AuGe/Au/Mo)  0,4 Ом/G, RS (Al)  0,01 Ом/G.
Контроль на этапе корректировки номиналов
слоевого сопротивления резисторов МИС. Контроль
по микроструктуре 8.
Анализ C-V характеристик тестового диода
Шоттки. Контроль по микроструктуре 4. На рис.9
представлена типовая C-V характеристика сформированного диода Шоттки.
ные параметры, соответствующие параметрам аналогичных элементов МИС. Достигнутые результаты
свидетельствуют об эффективности использования
данной методики контроля арсенид-галлиевых микроприборов.
1.
2.
3.
Козловский Э.Ю., Осипов А.М., Селезнёв Б.И. СВЧ МИС
МШУ на основе наногетероструктур GaAs pHEMT //
Системы и средства связи, телевидения и радиовещания.
2013. №1,2. С.134-137.
Селезнёв Б.И., Романов В.Л., Мозгунов А.Ф. и др. Формирование и исследование СВЧ полевых транзисторов на
основе гетероструктур GaAs/GaAlAs/GaAs // Известия
вузов. Электроника. 2003. Вып.2. С.32-39.
Селезнёв Б.И., Ионов А.С., Петров А.В. и др. Зондовые и
оптические исследования микро- и наноструктур на основе арсенида галлия / // Вестник НовГУ. Сер. Техн. науки. 2011. №65. С.31-36.
Bibliography (Transliterated)
1.
Выводы
В результате проведенной работы был разработан и сформирован модуль тестовой ячейки для
зондовых и оптических методов контроля арсенидгаллиевых микроструктур на пластине в ходе технологического процесса изготовления монолитной интегральной схемы на GaAs. Проведено технологическое опробование тестовой ячейки, измерены основ-
2.
3.
43
Kozlovskii E.Iu., Osipov A.M., Seleznev B.I. SVCh MIS
MShU na osnove nanogeterostruktur GaAs pHEMT //
Sistemy i sredstva sviazi, televideniia i radioveshchaniia.
2013. №1,2. S.134-137.
Seleznev B.I., Romanov V.L., Mozgunov A.F. i dr. Formirovanie i issledovanie SVCh polevykh tranzistorov na
osnove geterostruktur GaAs/GaAlAs/GaAs // Izvestiia vuzov.
Elektronika. 2003. Vyp.2. S.32-39.
Seleznev B.I., Ionov A.S., Petrov A.V. i dr. Zondovye i
opticheskie issledovaniia mikro- i nanostruktur na osnove
arsenida galliia / // Vestnik NovGU. Ser. Tekhn. nauki. 2011.
№65. S.31-36.